Überblick über 3D-Druck Kupferpulver
Kupferpulver für den 3D-Druck ist ein Metallpulver aus reinem Kupfer oder Kupferlegierungen, das als Rohmaterial in verschiedenen 3D-Drucktechnologien zur Herstellung von Endverbrauchsteilen und -produkten aus Kupfer verwendet wird.
Zu den wichtigsten Eigenschaften und Vorteilen des 3D-Drucks mit Kupferpulver gehören:
- Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit für elektronische Anwendungen erwünscht
- Sehr hohe Zerspanbarkeitswerte für gute Endbearbeitung und Nachbearbeitung
- Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität
- Korrosionsbeständigkeit durch die Bildung einer schützenden Kupferoxidschicht
- Biokompatibel für medizinische Geräte und Implantate
- Kostenvorteil im Vergleich zur konventionellen Kupferbearbeitung
Bei verschiedenen 3D-Druckverfahren für Metalle wird in der Regel Kupferpulver verwendet:
Arten des 3D-Drucks mit Kupferpulver
| 3D-Druck-Technologie | Beschreibung |
|---|---|
| Binder Jetting | Klebt Kupferpulver mit flüssigen Bindemitteln |
| Gerichtete Energieabscheidung (DED) | Schmelzen von Kupferpulver mit einem Laser- oder Elektronenstrahl |
| Selektives Laserschmelzen (SLM) | Selektives Laserschmelzen und Schmelzen des Kupferpulverbettes |
Diese additiven Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien mit Kupfer, die durch Gießen oder maschinelle Bearbeitung nicht realisierbar sind. Teile können bei Bedarf ohne Werkzeuge oder Formen hergestellt werden.
Lassen Sie uns nun einen genaueren Blick auf Kupfersorten für den 3D-Druck, Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Preise, Vergleiche und mehr werfen.
Zusammensetzung der 3D-Druck Kupferpulver
Es gibt einige Haupttypen von Kupfermetallpulvern, die in der additiven Fertigung verwendet werden:
Zusammensetzungen von 3D-Druck-Kupferpulver
| Pulver Typ | Typische Zusammensetzung |
|---|---|
| Reines Kupfer | 99,7% Cu Minimum |
| Kupfer-Zinn-Legierung | Cu-10Sn-Bronze-Legierung |
| Kupfer-Nickel-Legierung | 90Cu-10Ni oder 70Cu-30Ni |
Merkmale von 3D-gedruckten Teilen aus reinem Kupfer
- Hervorragende elektrische Leitfähigkeit für Elektronik
- Verformbares Material ermöglicht Nachbearbeitung
- Glühen kann die Duktilität weiter verbessern
- Geringe Härte bei 100 HV nach dem Druck
Profis
- Höchste thermische und elektrische Leitfähigkeit
- Leicht zu bearbeiten, zu plattieren und nach dem Bau zu beschichten
- Biokompatibel für medizinische Zwecke
- Das Schweißen von unterschiedlichen Metallen wird vereinfacht
Nachteile
- Weiche Texturen und Merkmale mit geringer Festigkeit
- Gefahr der Delamination zwischen den Schichten
- Oxidschichtbildung anfällig für Verunreinigungen
Merkmale von 3D-gedruckten Cu-Sn-Bronzeteilen
- Bessere mechanische Eigenschaften durch Zinnlegierung
- Bis zu doppelte Härte und Festigkeit
- Verschieben Sie die verschleißfeste Oberfläche
- Höhere Temperaturbeständigkeit
Profis
- Stärkere Teile, die Verformungen widerstehen
- Ermöglicht den Druck feiner Details und Texturen
- Geringe Mengen an Zinn verbessern die Eigenschaften
- Gute Korrosionsbeständigkeit
Nachteile
- Geringere thermische und elektrische Leitfähigkeit
- Höhere Dichte erhöht das Gewicht
- Benötigen beim Drucken noch Stützen
Merkmale von 3D-gedruckten Teilen aus Cu-Ni-Legierung
- Ausgezeichnete Kombination aus Festigkeit und Leitfähigkeit
- Behält hohe Duktilität und thermische Eigenschaften bei
- Erhöht die Härte für den Verschleißschutz
- Lässt sich gut mit anderen Kupferkomponenten löten
Profis
- Abstimmbare Eigenschaften, die Festigkeit, Härte und Leitfähigkeit ausgleichen
- Starke Teile, die Belastungen standhalten
- Nur 10%-Nickel verdoppelt die Streckgrenze
- Niedrigerer Schmelzpunkt begünstigt Druck bei niedrigeren Temperaturen
Nachteile
- Nicht biokompatibel für Medizinprodukte
- Nickel kann galvanische Korrosion auslösen
- Höhere Materialkosten als reines Kupfer
Anwendungen von 3D-gedrucktem Kupfer
Dank seiner vielseitigen Materialeigenschaften wird der 3D-Druck mit Kupferpulver branchenübergreifend eingesetzt:
Anwendungen von 3D-Druck-Kupferpulver
| Industrie | Gemeinsame Anwendungen |
|---|---|
| Elektronik | Steckverbindungen, Kontakte, Klemmen, EMI-Abschirmung |
| Elektrisch | Stromschienen, Rotorwicklungen, Elektromagnete |
| Wärmetauscher | Wärmesenken, Verdampfer, Kondensatoren |
| Automobilindustrie | Schweißspitzen, Buchsen, Lager |
| Architektur | Dekorative Fassaden, Paneele, Modellierung |
| Medizinische | Elektroden, GREENs, Implantate, chirurgische Instrumente |
Einige spezifische Produktbeispiele sind:
Elektronik: Leitende Bahnen, Drähte, Antennen, Batterien, Sensoren
Automobilindustrie: Leuchtengehäuse, Schnellverschlüsse, Gewindeeinsätze
Luft- und Raumfahrt: Halterungen, Komponenten zur Drehmomentkontrolle, Funkgeräte-Hardware
Konsumgüter: Knöpfe, Verschlüsse, Reißverschlüsse, Zierteile
Hardware: Zahnräder, Schlösser, Federn, Befestigungselemente wie Muttern und Bolzen
Die Nutzung der Kupfereigenschaften im 3D-Druck ermöglicht innovative Geometrien, die mit subtraktiven Verfahren nicht möglich sind und die Funktionalität und Effizienz verbessern können.
Spezifikationen von Kupfermetallpulver für den 3D-Druck
Die Hersteller von 3D-Druckern charakterisieren Kupferpulver anhand von Kriterien wie:
Kupferpulver-Spezifikationen für den 3D-Druck
| Parameter | Typischer Spezifikationsbereich |
|---|---|
| Form des Pulvers | Überwiegend kugelförmig |
| Größenbereich | 15-45 Mikrometer |
| Minimale scheinbare Dichte | 3,5 g/cm3 |
| Typische Schichtdicke | 20-100 Mikrometer |
| Durchflussmenge | >=25 Sekunden für 50 g |
| Restsauerstoff | 0,3% max |
Andere wichtige Pulvermessungen:
- Dichte des Gewindebohrers: Nach dem Absetzen: 4-4,5 g/cm3
- Hall-Durchflussmenge: Zeit, in der 50 g Pulver durch die Trichteröffnung fließen
- Hausner-Verhältnis: Die Klopfdichte dividiert durch die scheinbare Dichte gibt die Fließfähigkeit an.
Die enge Verteilung gewährleistet eine dichte und gleichmäßige Verteilung des Pulvers während des Drucks. Niedriger Sauerstoffgehalt verhindert überschüssige Oxide, die die Schichtbindung behindern.
Kupfermetallpulver Preise, Lieferanten und Vergleiche
Die Kosten für Kupferpulver schwanken je nach Marktpreis, Zusammensetzung, Menge und Herkunftsort:
Kupferpulver Kostenvergleich
| Typ | Durchschnittliche Preisspanne | Hauptlieferanten |
|---|---|---|
| Reines Kupfer | $50-80 pro kg | AP&C, Sandvik Osprey, Carpenter Additive |
| Cu-10Sn-Bronze | $55-90 pro kg | ECKA Granulate, BASF Additive Mfg, LPW Technologie |
| CuNi10-Legierung | $65-105 pro kg | Linde, Arconic-Komponenten, Praxair |
Der Kauf von hochreinen Qualitäten von zertifizierten Metallpulverherstellern gewährleistet zuverlässige Qualität. Lieferanten aus Übersee bieten zwar kostengünstigere Optionen an, doch kann es ihnen an Konsistenz mangeln.
Beim Vergleich von Kupferpulvermaterialien für einen Druckauftrag sollten Sie Folgendes beachten:
Vor- und Nachteile der verschiedenen Kupferpulver
| Typ | Profis | Nachteile |
|---|---|---|
| Reines Kupfer | Höchste thermische/elektrische Leistung<br>Geringste Kosten | Weiche, verschleißanfällige Teile<br>Risiko der Delamination |
| Cu-Bronze-Legierung | Stärkere Komponenten<br>Bessere Auflösung feiner Details | Schwerere Komponenten<br>Geringere Leitfähigkeit |
| Kupfer-Nickel | Ausgewogene Stärke plus Leitfähigkeit <br>Kontrollierte Reibung/Verschleiß | Nicht biokompatibel<br>Schwieriger zu bearbeiten |
ZusammengefasstReines Kupfer eignet sich für die Anforderungen der Elektronik, wobei der Schwerpunkt auf Leitfähigkeit und Duktilität bei niedrigen Kosten liegt, während Legierungen die mechanischen Anforderungen mit höherer Festigkeit und Härte besser erfüllen.
Druckparameter, Schwellenwerte und Empfehlungen
Die Wahl der optimalen Druckeinstellungen ist der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz von Kupferpulver:
Druckprofileinstellungen für Kupferpulver
| Parameter | Typischer Bereich | Empfehlungen |
|---|---|---|
| Schichtdicke | 20-100 Mikrometer | Dünnere Schichten verbessern den Verbund zwischen den Schichten |
| Laserleistung (für SLM) | 100-500 W | Höhere Dichte und Benetzung bei erhöhter Leistung |
| Scan-Geschwindigkeit | 100-500 mm/s | Schnellere Geschwindigkeiten reduzieren Wärmeeintrag und Eigenspannung |
| Balkengröße | 20-100 Mikrometer | Laserdurchmesser nahe der Schichtdicke |
| Unterstützungsstrukturen | Baumartig | Verformung verhindern und durch Nachbearbeitung entfernen |
| Schutzgas | Argon oder Stickstoff | Verhinderung von Oxidation während der Bauphase |
| Plattenheizung aufbauen | 50-250°C | Kühlkörper einmal abgelegt, wenn die Kühlung zu schnell ist |
| Stressabbau | Ausglühen 1-3 Stunden bei 400°C | Verringerung von Eigenspannungen zur Förderung der Schichtintegrität |
| Heißisostatisches Pressen | 1000-10000 psi bei 500-950°C | Erhöhung der Dichte durch Kollabieren von Hohlräumen |
| Oberflächenbehandlung | Trommeln, Bearbeiten, Schleifen, Polieren usw. | Oberflächenrauhigkeit glätten |
Die Überwachung der Größe des Schmelzbads und der Temperaturen hilft bei der Echtzeitkalibrierung der Laserparameter. Passen Sie die Energiezufuhr an den Druckbereich an, um eine gute Verschmelzung ohne übermäßige Erwärmung zu erreichen.
Für Teile von hoher QualitätDer Schlüssel dazu ist das Wärmemanagement und die Verringerung der Restspannung durch strategische Heiz-/Kühlzyklen während des Drucks und Wärmebehandlungen nach der Herstellung. Nutzung von Standard-Metallverarbeitungs-/Bearbeitungsmethoden für die Endbearbeitung von gedruckten Kupferkomponenten.
Industriestandards für den 3D-Druck mit Metallpulvern
Normenorganisationen für die additive Fertigung von Metallen
| Organisation | Einschlägige Metall-AM-Normen |
|---|---|
| ASTM International | F3049, F2971, F3184, F3301 usw. für annehmbare Legierungen, Prozessanforderungen, Qualitäten |
| Internationale Organisation für Normung (ISO) | ISO/ASTM 52915, 52921 für Entwurf, Verfahren und Prüfung |
| SAE International | AMS7001A Material- und Prozessspezifikationen für die Luft- und Raumfahrt |
| Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure (ASME) | BPVC Abschnitt IX Schweißtechnische Vorschriften |
| Nationales Institut für Normen und Technologie (NIST) | Referenzdaten für Kupferpulver und Messwissenschaft |
| Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) | IEC 62890 Benchmarking der Leistung des Metallpulverbettschmelzverfahrens |
Diese tauschen bewährte Verfahren aus und quantifizieren wiederholbare Leistungskriterien, um Teile für die Endnutzung zu qualifizieren.
Für Komponenten für die Luft- und RaumfahrtDarüber hinaus müssen weitere CAA- und FAA-Normen eingehalten werden. Automobilindustrie Teile verweisen auch auf UL-, A2LA- und NADCAP-Spezifikationen.
In der MedizintechnikUm die Biokompatibilität und die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, ist die Einhaltung der FDA- und CE-Vorschriften vor der Vermarktung zwingend erforderlich.
Insgesamt synchronisieren die Normen die technologische Entwicklung in der gesamten Branche der additiven Metallfertigung.
FAQs
F: Wie wähle ich die richtige Kupferlegierung für meine Anwendung?
A: Bei den meisten Produkten stehen entweder Festigkeit, Härte und Verschleißverhalten oder thermische/elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund. Die entsprechende Abstimmung der Legierungselemente wie Zinn oder Nickel ermöglicht eine individuelle Optimierung der Eigenschaften.
F: Ist beim Drucken von Kupferpulver eine Schutzgasabschirmung erforderlich?
A: Ja, das Erhitzen von Kupferpulver auf hohe Temperaturen führt zu einer Oberflächenoxidation, bei der Legierungselemente verloren gehen. Die Abschirmung mit Argon oder Stickstoff verhindert übermäßigen Materialverlust.
F: Was verursacht Risse zwischen den Schichten beim 3D-Druck von Kupfer?
A: Unterschiedliche Abkühlungsraten und die Schrumpfung der Legierung können Spannungen verursachen, die zu Rissen in den Zwischenschichten führen. Bessere thermische Kontrollen während der Fertigung und spannungsreduzierende Wärmebehandlungen nach dem Prozess verringern diese Fehler.
F: Warum hat mein 3D-gedrucktes Kupferteil eine schlechte Oberflächenqualität und -struktur?
A: Unzureichendes Aufschmelzen der Pulverpartikel bei geringer Laserleistung führt zu porösen, ungleichmäßigen Strukturen, die eine aufwändige Nachbearbeitung erfordern. Druckkalibrierung, ausreichende Schichtüberlappung und höhere Energiedichte verbessern die Oberflächenqualität.
F: Ist der direkte Metalldruck mit Kupferpulver sehr teuer?
A: Ja, sowohl die Kosten für das Druckersystem, die über $100.000 liegen, als auch die Kosten für den Kauf von Metallpulver machen es für kleine Produktionen unerschwinglich. Allerdings sinken die Kosten pro Teil bei Großserien erheblich, da keine Werkzeuge benötigt werden.
